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Acesso em 23/05/2024 às 06h14.

Elementos Químicos – Nitrogênio

Elementos Químicos – Nitrogênio

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Importante e Sufocante

 

Foto da Nasa de 1997 mostra a atmosfera da Terra, composta por 78% de nitrogênio, 21% de oxigênio e 1% de outros constituintes

 

O elemento nitrogênio, que possui número atômico 7 e símbolo N, pertence ao grupo 15 da tabela periódica, junto com o fósforo, arsênio, antimônio e bismuto. O nitrogênio ocorre na atmosfera terrestre como um gás sem cor nem cheiro, de fórmula N2.

O nitrogênio é o quinto elemento mais abundante no universo e corresponde a cerca de 78% em volume da atmosfera da terra, que contém algo como 4.000 trilhões de toneladas do gás N2. Com tal quantidade desse gás na atmosfera parece estranho classificá-lo como um gás sufocante. Porém, altas concentrações de N2 provocam a diminuição da concentração do gás O2, privando o organismo vivo de oxigênio e, consequentemente, promovendo asfixia. [1,3].

O N2 é obtido principalmente do ar liquefeito, por meio de um processo conhecido como destilação fracionada. Este método é denominado criogênico porque a liquefação do ar requer temperaturas baixíssimas (aproximadamente -196ºC). Atualmente, tecnologias não criogênicas, isto é, que não requerem ar liquefeito, são usadas para separar os gases presentes no ar. Tais tecnologias usam materiais adsorventes, como carvão ativo e ar a alta pressão. O grau de pureza do nitrogênio obtido é menor que aquele proveniente da destilação fracionada do ar, mas o custo energético é menor. A escolha do método para separação do nitrogênio do ar atmosférico vai depender do grau de pureza e da taxa de produção diária de nitrogênio requerida [1, 4].

O nitrogênio é usado como matéria-prima na indústria química. Seu principal emprego está na produção da amônia (NH3), que também é um gás. Grandes quantidades de N2 são combinadas com H2 para produzir amônia por um método conhecido como processo Haber. A amônia é utilizada em larga escala no mundo inteiro para fabricar fertilizantes, explosivos e, por meio de um processo chamado Ostwald, ácido nítrico (HNO3) [1]. O nome do processo é uma referência ao químico alemão Friedrich Ostwald, ganhador do Prêmio Nobel de Química de 1909, que desenvolveu o processo de preparação do ácido nítrico a partir da oxidação da amônia usando platina como catalisador [5].

 

Tanque para armazenamento de amostras biológicas em nitrogênio líquido à temperatura criogênica. Foto: Wikimedia Commons

 

Diversos usos de N2 estão relacionados com a sua baixa reatividade nas condições ambientais, permitindo classificá-lo como um gás inerte. Por isso o nitrogênio gasoso é empregado na indústria de eletrônicos (produção de semicondutores), em alguns tipos de operações de soldagem e, também, para preservar alimentos e bebidas. Companhias petrolíferas usam nitrogênio a alta pressão para ajudar o petróleo cru a chegar à superfície. Nitrogênio líquido é uma substância criogênica de baixo custo usada para refrigeração e preservação de amostras biológicas, como esperma e outras células utilizadas em pesquisas médicas e na tecnologia de reprodução. Ele também é usado para congelar alimentos rapidamente, contribuindo para manter sua cor, sabor e textura, e em experimentos de laboratório que exigem baixas temperaturas [1,6].

Fertilizantes – Para crescerem, as plantas precisam de três nutrientes principais: nitrogênio, fósforo e potássio. Este trio desempenha um papel vital no crescimento das plantas, das raízes, folhas até o caule. O nitrogênio usado em produtos fertilizantes atualmente é retirado da atmosfera e convertido em amônia por meio do processo Haber-Bosch. A partir da amônia são obtidos os fertilizantes que contêm nitrogênio, incluindo a ureia. O nitrogênio é o responsável principal pelo crescimento vegetativo, e tem papel essencial em várias reações enzimáticas nas plantas. O nitrogênio assimilado é usado na biossíntese de aminoácidos, moléculas essenciais para formar as proteínas nas plantas [7].

 

Nitrogênio, fósforo e potássio são os principais nutrientes para as plantas. Foto: chriskatsie on VisualHunt.com

O nitrogênio também faz parte de compostos orgânicos de grande importância. Os compostos nitrogenados são classificados em aminas e nitrocompostos, entre outros. As aminas são compostos nitrogenados derivados da amônia (NH3) e servem para produção de corantes, a exemplo da anilina e também de fármacos e detergentes. Os nitrocompostos são originados por meio da reação química entre o ácido nítrico (HNO3) e um alcano – hidrocarboneto. Eles têm ampla aplicação, podendo ser utilizados na fabricação de explosivos, defensivos agrícolas, corantes, pomadas antibactericidas e até no refino de petróleo [8].

Vídeo produzido pela Universidade de Nottingham, Inglaterra, mostra as propriedades do nitrogênio. As legendas em português foram feitas pelo professor Luís Brudna – Unipampa/RS.

 

Dados do Centro Nacional de Informações Minerais dos Estados Unidos mostram que a produção mundial de nitrogênio fixado ou transformado em amônia chegou a 150 milhões de toneladas em 2021, sendo os maiores produtores mundiais a China, Rússia e Estados Unidos [9].

Ciclo do nitrogênio – O nitrogênio é um elemento essencial à vida, e faz parte de todas as proteínas de plantas e animais. Os organismos vivos promovem a circulação do nitrogênio por meio do chamado “ciclo do nitrogênio”. Este ciclo constrói as bases necessárias para a produção do ácido desoxirribonucleico (DNA), do ácido ribonucleico (RNA) e todos os aminoácidos, que são as partes fundamentais das proteínas [2,6, 9].

A fixação biológica do nitrogênio gasoso é um processo realizado por alguns grupos de microrganismos que possuem a enzima nitrogenase. Este processo faz com que o nitrogênio seja posteriormente utilizado como fonte de nutrição das plantas. A fixação biológica se constitui na principal via de incorporação do nitrogênio à biosfera. Depois da fotossíntese, é o processo biológico mais importante para as plantas e fundamental para a vida na Terra [10].

 

Produção de mudas de tachi branco (Sclerolobium paniculatum), uma espécie de leguminosa arbórea capaz de se associar a bactérias do solo, genericamente denominadas de rizóbio, capazes de fixar o nitrogênio atmosférico. A espécie é utilizada em programas de recuperação de áreas degradadas. Foto: Borges, Wardsson Lustrino/Embrapa Amapá

 

A maioria das moléculas usadas pelos sistemas biológicos contém nitrogênio, como as proteínas, os ácidos nucleicos, a clorofila, várias enzimas e vitaminas e muitos outros constituintes celulares. Embora a molécula de nitrogênio (N2) seja o constituinte mais abundante da atmosfera terrestre, seu uso é limitado por sua falta de reatividade, e por isso as necessidades da biosfera são supridas pelo processo de fixação de nitrogênio. Por esse motivo, o principal desafio da biologia e da tecnologia envolve a transformação do N2 para incorporá-lo nos compostos essenciais de nitrogênio [2].

 

Nódulos em raiz de feijão. Foto: Ferreira, Ana Lucia/Embrapa Agrobiologia

O ciclo do nitrogênio pode ser explicado como um conjunto de reações de oxirredução catalisadas por enzimas que produzem um suprimento acessível de compostos de nitrogênio. O sistema enzimático para a fixação de nitrogênio funciona em condições anaeróbias, ou seja, sem a presença de oxigênio, já que o O2 destrói rápida e irreversivelmente a enzima. Entretanto, a fixação do nitrogênio também ocorre em bactérias aeróbias. Em algumas plantas superiores, as bactérias fixadoras de nitrogênio vivem dentro de um ambiente controlado na planta, como os nódulos nas raízes, onde os níveis de O2 são baixos. É como uma simbiose entre plantas e bactérias: a planta fornece para a bactéria compostos de carbono provenientes da fotossíntese, e a bactéria fornece compostos de nitrogênio para a planta [2].

Uma vez fixado o nitrogênio, os organismos o incorporam em moléculas orgânicas, onde ele entra nas rotas biossintéticas da célula. Quando as plantas e outros organismos morrem, os compostos orgânicos nitrogenados se decompõem no solo, liberando o nitrogênio para o meio ambiente sob a forma de NH3 ou NH4+, dependendo das condições [2].

Os animais obtêm o nitrogênio necessário ao consumir outros seres vivos. Eles digerem as proteínas, DNA e os aminoácidos, transformando-os para seu próprio uso. Microrganismos no solo convertem os compostos de nitrogênio novamente em nitratos para as plantas reusarem. Os estoques de nitratos são também repostos por bactérias que fixam o nitrogênio diretamente da atmosfera [6].

Uma pesquisadora da Embrapa, Dra. Johanna Döbereiner, fez uma série de estudos fundamentais para a agricultura brasileira, desenvolvendo a técnica de fixação do nitrogênio pelas plantas por meio da bactéria rhizobium. Dessa forma, a soja gerava seu próprio adubo, dispensando o uso de fertilizantes. Por seus estudos sobre a fixação biológica de nitrogênio em leguminosas tropicais ela foi indicada ao Prêmio Nobel de Química de 1999 [11].

O ciclo do nitrogênio e sua importância para a agricultura é explicado em um texto publicado pelo governo de Sergipe. Clique aqui para acessar o conteúdo.

Origens – A “descoberta” do nitrogênio em 1772 é geralmente creditada a Daniel Rutherford, embora o gás tenha sido isolado independentemente na mesma época por C.W. Scheele e H. Cavendish. Rutherford, por sugestão de seu professor Joseph Black, fez a descoberta quando estudava as propriedades do chamado “ar residual” que sobrava depois que as substâncias carbonáceas eram queimadas em um ambiente de fornecimento de ar limitado [12]. 

Os alquimistas antigos já conheciam a aqua regia, formada pelos ácidos nítrico e clorídrico. O Alquimista, Cornelis Bega, 1663

 

A “descoberta” do nitrogênio em 1772 é geralmente creditada a Daniel Rutherford, embora o gás tenha sido isolado independentemente na mesma época por C.W. Scheele e H. Cavendish. Rutherford, por sugestão de seu professor Joseph Black, fez a descoberta quando estudava as propriedades do chamado “ar residual” que sobrava depois que as substâncias carbonáceas eram queimadas em um ambiente de fornecimento de ar limitado [12].

A natureza elementar do nitrogênio foi disputada por vários pesquisadores até o final de 1840. O nome “nitrogênio” foi sugerido por Jean Antoine-Claude Chaptal, em 1790, quando se descobriu que o elemento era um constituinte do ácido nítrico e nitratos. O nome vem do grego nitron e gene, que significa o que forma salitre. Lavoisier preferiu o nome azote, que em grego significa sem vida, por causa das propriedades asfixiantes do gás, e este nome ainda é usado na França em formas como azo, diazo e azido. O nome alemão Stickstoff se refere à mesma propriedade, sticken significa sufocar [12].

Os compostos de nitrogênio também têm um longo histórico. O cloreto de amônio foi mencionado inicialmente na obra Histórias, de Heródoto, no século 5 antes de Cristo, e sais de amônio, junto com nitratos, ácido nítrico e aqua regia (solução altamente corrosiva formada por ácidos nítrico e clorídrico) eram bem conhecidos dos primeiros alquimistas. Muitas descobertas continuam a ocorrer até os dias de hoje e, na verdade, os detalhes dos mecanismos pelos quais as bactérias prendem o nitrogênio a temperatura ambiente e pressão é ainda uma ativa área de pesquisa [12].

 Referências

[1] Nitrogênio. Disponível em https://education.jlab.org/itselemental/ele007.html. Acesso em 15/03/2022.

[2] Química Inorgânica. Weller M.; Overton T.; Rourke J.; Armstrong F. Bookman, 2017.
PG 412- Usos do nitrogênio.

[3] O perigo do nitrogênio líquido – congelamento, asfixia, explosão e morte. Disponível em https://www.tabelaperiodica.org/o-perigo-do-nitrogenio-liquido-congelamento-asfixia-explosao-e-morte/. . Acesso em 05/08/2022.

[4] P.W. Atkins, T.L. Overton, J.P. Rourke, M.T. Weller, and F.A. Armstrong, INORGANIC CHEMISTRY, 6ª edição, 2014, Oxford University Press.

[5] Wilhelm_Ostwald. Disponível em https://pt.wikipedia.org/wiki/Wilhelm_Ostwald. Acesso em 22/03/2022.

[6] Nitrogênio. Disponível em https://www.rsc.org/periodic-table/element/7/nitrogen. Acesso em 15/03/2022.

[7] Fertilizer: The Basics. Disponível em https://ifdc.org/2016/06/29/fertilizer-the-basics/. Acesso em 03/08/2022.

[8] Funções Nitrogenadas. Disponível em https://www.educamaisbrasil.com.br/enem/quimica/funcoes-nitrogenadas.  Acesso em 03/08/2022.

[9] Nitrogen Statistics and Information – National Minerals Information Center. Disponível em https://www.usgs.gov/centers/national-minerals-information-center/nitrogen-statistics-and-information. Acesso em 15/03/2022.

[10] Fixação biológica de nitrogênio. Disponível em https://www.embrapa.br/tema-fixacao-biologica-de-nitrogenio/nota-tecnica. Acesso em 15/03/2022.

[11] Memória Embrapa – Johanna Döbereiner. Disponível em https://www.embrapa.br/memoria-embrapa/personagens/johanna-dobereiner. Acesso em 01/08/2022.

[12] Greenwood N.; Earnshaw A. Chemistry of the Elements. 2. Ed. Butterworth Heinemann, 1997.

ATENÇÃO! Os experimentos com substâncias químicas mostrados nos vídeos aqui incluídos só devem ser reproduzidos na presença de um profissional ou professor de química, e em ambiente controlado. Não tente reproduzir esses experimentos por conta própria.

 Artigo produzido pela Assessoria de Comunicação e Marketing do CRQ-IV,
sob orientação técnica de Vera Regina Leopoldo Constantino,
docente do Instituto de Química da USP.
Publicado em 15/08/2022

 

 

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